INTRODUCCION A LA INGENIERIA

DOCENTE: ING. RICARDO DELGADO ARANA

HIDRAULICA DE CANALES

1. INTRODUCCIÓN

El agua necesaria para satisfacer todas las exigencias del mundo moderno

proviene de manantiales superficiales o subterráneos. Como el hombre se ha

comportado generalmente como un elemento contra el orden del sistema

natural, las aguas superficiales están casi totalmente contaminadas.

El agua no se distribuye uniformemente en el tiempo y el espacio. A veces se

encuentran grandes volúmenes lejos de los centros de población  o cuando

están próximas, pueden resultar impropias para el consumo. A veces pequeños

ríos tienen agua en condiciones satisfactorias, pero no son aprovechables

porque en ciertas épocas del año, su flujo es nulo.

La responsabilidad del control y distribución de las aguas normalmente compete

a los gobiernos y las comunidades, pero los aspectos técnicos de estas

actividades encajan dentro de las responsabilidades del ingeniero civil. Le

corresponde entre otras cosas, proyectar, diseñar, construir y administrar las

obras relacionadas con ríos, canales, presas, sistemas de irrigación y drenaje,

redes de abastecimiento de agua, alcantarillado pluvial y sanitario; en realidad,

él es el ingeniero por excelencia del ambiente.

La responsabilidad del ingeniero civil es inmensa porque los conocimientos de

la Hidráulica se basan en cientos de años de empirismo, muchos años de

estudios teóricos y de análisis científicos, y pocos años de experiencia con las

técnicas modernas de instrumentación y computación aplicada a los problemas

relacionados con los recursos hidráulicos.

2. DEFINICIÓN DE CANAL

Los canales son conductos en los que el agua circula debido a la acción de la

gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en

contacto con la atmosfera.

Los canales pueden ser naturales (Ríos o arroyos) o artificiales (Construidos por

el hombre). Dentro de estos últimos pueden incluirse aquellos conductos

cerrados que trabajan parcialmente llenos (alcantarillas, tuberías).

INTRODUCCION A LA INGENIERIA

DOCENTE: ING. RICARDO DELGADO ARANA

3. CLASIFICACIÓN DE LOS CANALES

Dependiendo sus funciones los canales de pueden clasificar en:

Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes

denominaciones:

- Canal de primer orden.- Llamado también canal madre o de derivación y se

le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo

lado ya que por el otro lado da con terrenos altos.

- Canal de segundo orden.- Llamados también laterales, son aquellos que

salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los

sub – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad

de riego.

- Canal de tercer orden.- Llamados también sub – laterales y nacen de los

canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las

propiedades individuales a través de las tomas del solar, el área de riego que

sirve un sub – lateral se conoce como unidad de rotación.

De lo anterior de deduce que varias unidades de rotación constituyen una

unidad de riego, y varias unidades de riego constituyen un sistema de riego,

este sistema adopta el nombre o codificación del canal madre o de primer

orden.

4. SECCIONES TRANSVERSALES MÁS FRECUENTES

La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma my

irregular y varia de un lugar a otro. Los canales artificiales usualmente se

diseñan con formas geométricas regulares (prismáticos), las más comunes son

las siguientes:

INTRODUCCION A LA INGENIERIA

DOCENTE: ING. RICARDO DELGADO ARANA

4.1. Secciones Abiertas

- Sección Trapezoidal: Se una siempre en canales de tierra y en canales

revestidos.

- Sección Rectangular: Se emplea para acueductos de madera, para canales

excavados en roca y para canales revestidos.

- Sección Triangular: Se usa para cunetas revestidas en las carreteras,

también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de

trazo. También se emplean revestidas, como alcantarillas de las carreteras.

4.2. Secciones Cerradas

INTRODUCCION A LA INGENIERIA

DOCENTE: ING. RICARDO DELGADO ARANA

- Sección Circular y Sección de Herradura: Se usan comúnmente para

alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes.

5. ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN

CANAL

Donde:

y : tirante de agua. Es la profundidad máxima del agua en el canal.

b : Ancho de solera, ancho de plantilla, es el ancho de la base del canal

T : Espejo de agua, es el ancho de la superficie libre del agua.

C : Ancho de corona.

H : Profundidad total del canal.

H-y : Borde libre.

INTRODUCCION A LA INGENIERIA

DOCENTE: ING. RICARDO DELGADO ARANA

: Angulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal.

Z : talud, es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la

pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal).

Es decir Z es el valor de la proyección horizontal cuando a vertical es 1

6. TIPOS DE FLUJOS EN CANALES

La clasificación del flujo en un canal depende de la variable de referencia que

se tome, así tenemos:

6.1. Flujo permanente y no Permanente

Esta clasificación obedece a la utilización del tiempo como variable. El flujo

es permanente si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambia

con respecto al tiempo, es decir, en una secciono del canal en todos los

tiempos los elementos del flujo permanecen constantes.

6.2. Flujo Uniforme y variado

Esta clasificación obedece a la utilización del espacio como variable. El

flujo es uniforme si los parámetros (tirante, velocidad, area, etc.), no

cambian con respecto al espacio, es decir, en cualquier sección del canal

los elementos del flujo permanecen constantes.

El flujo variado se puede a su vez clasificar en gradual y rápidamente

variado.

- Flujo gradualmente: es aquel en el cual los parámetros cambian en

forma gradual a lo largo del canal, como es el caso de una curva de

remanso producida por la intersección de una presa en el cauce

principal elevándose el nivel del agua por encima de la presa, con

efecto hasta varios kilómetros aguas arriba de la estructura.

- Flujo Rápidamente variado: es aquel en el cual los parámetros varían

instantáneamente en una distancia muy pequeña, como es el caso del

resalto hidráulico.

INTRODUCCION A LA INGENIERIA

DOCENTE: ING. RICARDO DELGADO ARANA

6.3. Flujo laminar y Turbulento

El comportamiento de flujo en un canal está gobernado principalmente por

efectos de las fuerzas viscosas y de gravedad en relación con las fuerzas

de inercia internas del flujo.

En relación con el efecto de la viscosidad, el flujo puede ser laminar, de

transición o turbulento. En forma semejante al flujo en conductores

forzados, la importancia de la fuerza viscosa se mide a través del número

de Reynolds (Re), que relaciona fuerzas de inercia de velocidad con

fuerzas viscosas, definidas en este caso como:

Donde:

R = Radio Hidráulico de la sección transversal, en metros (m)

V = velocidad media, en metros por segundo (m/s)

ϑ= viscosidad cinematica del agua, en m2/s

En los canales se han comprobado resultados semejantes a flujos en

tuberías, por lo que respecta a este criterio de clasificación. Para

propósitos prácticos, en el caso de un canal, se tiene:

- Flujo laminar para Re<580, en este estado las fuerzas viscosas son

relativamente más grandes que las fuerzas de inercia.

- Flujo de transición para 580 ≤ Re ≤ 750, estado mixto entre laminar y

turbulento.

- Flujo turbulento para Re > 750, en este estado las fuerzas viscosas son

débiles comparadas con las fuerzas de inercia.

En la mayoría de los canales, el flujo laminar ocurre muy raramente, debido

a las dimensiones relativamente grandes de los mismos y a la baja

viscosidad cinemática del agua.

INTRODUCCION A LA INGENIERIA

DOCENTE: ING. RICARDO DELGADO ARANA

6.4. Flujo Critico, Subcrítico Y Supercrítico

En relación con el efecto de la gravedad, el flujo puede ser crítico, subcritico

y supercrítico; la importancia de la fuerza de gravedad se mide a través del

número de Froude (F), que relaciona fuerzas de inercia de velocidad, con

fuerzas gravitatorias, definidas en este caso como:

F= V

√g L

Donde:

V = velocidad media de la sección, en m/s

g = aceleración de la gravedad, en m/s2

L = longitud característica de la sección, en m.

En canales, la longitud característica viene dada por la magnitud de la

profundidad media o tirante medio y(m)=A/T, con lo cual se tiene:

F= V

√gy (m)

Entonces por el número de Froude, el flujo puede ser:

- Flujo Subcrítico si F < 1, en este estado las fuerzas de gravedad se

hacen dominantes, por lo que el flujo tiene baja velocidad, siendo

tranquilo y lento. En este tipo de flujo, toda singularidad, tiene

influencias hacia aguas arriba.

- Flujo critico si F = 1, en este estado, las fuerzas de inercia y gravedad

están en equilibrio.

- Flujo Supercrítico si F > 1, en este estado las fuerzas de inercia son

más pronunciadas, por lo que el flujo tiene una gran velocidad, siendo

INTRODUCCION A LA INGENIERIA

DOCENTE: ING. RICARDO DELGADO ARANA

rápido o torrentoso. En este tipo de flujo, toda singularidad, tiene

influencia hacia aguas abajo.

7. DISEÑO DE CANALES

Se consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades

permisibles, entre otros:

- Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de

canales es necesario recolectar la siguiente información básica: Fotografías

aéreas, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de

comunicación, etc.

- Planos topográficos y catastrales.

- Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda

conjugarse en el trazo de canales.

Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando

un trazo preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes

necesarios, obteniéndose finalmente el trazo definitivo.

En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el

relieve del canal, procediendo con los siguientes pasos:

7.1. Reconocimiento del terreno

Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que influyen en la

determinación de un eje probable de trazo, determinándose el punto inicial

y el punto final.

7.2. Trazo preliminar

Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando en el

terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con

teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se

hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán

de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la

INTRODUCCION A LA INGENIERIA

DOCENTE: ING. RICARDO DELGADO ARANA

sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y

es uniforme la sección es máximo a cada 20 m.

7.3. Trazo definitivo

Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la

escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y

de la precisión que se desea:

- Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala

de 1:500.

- Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda

escalas de 1:1000 a 1:2000.

7.4. Radios mínimos en canales

En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una

curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio

mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no

significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no será

hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una

mayor longitud o mayor desarrollo.